趙亞偉 韓敘虹 趙偉 馬崢
摘? ?要:如何開展跨學(xué)科實(shí)踐,如何在教學(xué)中落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng),受到研究者越來越多的關(guān)注。以設(shè)置主問題鏈、任務(wù)驅(qū)動(dòng)等形式展開教學(xué),以制作“噴泉”為出發(fā)點(diǎn),設(shè)置看到的現(xiàn)象、涉及的原理、形成噴泉的關(guān)鍵、影響氣壓大小的因素等一系列問題,引導(dǎo)學(xué)生以問題為載體,動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、制作“噴泉”。
關(guān)鍵詞:跨學(xué)科;項(xiàng)目式學(xué)習(xí);氣壓差;“噴泉”實(shí)驗(yàn)
中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? 文章編號(hào):1003-6148(2023)9-0073-4
收稿日期:2023-06-05
基金項(xiàng)目:北京市朝陽區(qū)特級(jí)教師工作室項(xiàng)目“基于‘學(xué)習(xí)進(jìn)階’的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐研究”。
作者簡介:趙亞偉(1990-),女,中學(xué)二級(jí)教師,研究方向?yàn)槌踔形锢碚n堂教學(xué)。
*通信作者:韓敘虹(1971-),女,正高級(jí)教師,北京市特級(jí)教師,研究方向?yàn)槲锢斫虒W(xué)設(shè)計(jì)。
跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》提出的一個(gè)新舉措,跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的設(shè)立,是在分科背景下開展的。它既能彌補(bǔ)分科課程的不足,又能明確承認(rèn)分科課程的合理性,最終促進(jìn)學(xué)科綜合育人、整體育人任務(wù)的完成。
下面以“美麗的‘噴泉’”為例,詳細(xì)闡述如何基于核心素養(yǎng)開展跨學(xué)科主題式教學(xué)的實(shí)踐探索。
1? ? 問題的背景
大氣壓是初中物理力學(xué)部分的重要內(nèi)容之一,雖然大氣壓很常見,但很多學(xué)生對大氣壓的感受還是不太真切。為了增加學(xué)生對大氣壓的體驗(yàn)感,本節(jié)課以制作“噴泉”作為主線來組織教學(xué),在課堂上創(chuàng)造機(jī)會(huì)讓學(xué)生動(dòng)手操作并感受大氣壓的力量。在講到氣體體積變化對氣壓影響的時(shí)候,不失時(shí)機(jī)地加入學(xué)過的生物學(xué)知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)充,且“噴泉”的制作不僅僅借助大氣壓的作用得以實(shí)現(xiàn),課中還利用化學(xué)方法制作彩色“噴泉”,讓學(xué)生在制作“噴泉”的過程中,同時(shí)復(fù)習(xí)了物理、化學(xué)和生物學(xué)科的相關(guān)知識(shí)。
2? ? 教學(xué)目標(biāo)
該節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)具體有:(1)通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),知道影響氣壓大小的因素有哪些,能制作物理“噴泉”并運(yùn)用大氣壓的知識(shí)解釋“噴泉”的形成原理。(2)能運(yùn)用會(huì)產(chǎn)生或者消耗大量氣體的化學(xué)反應(yīng)設(shè)計(jì)并自制化學(xué)“噴泉”。(3)能通過構(gòu)建呼吸運(yùn)動(dòng)的生物模型,進(jìn)一步理解氣壓差與人體完成呼吸的關(guān)系,明確影響氣壓大小的相關(guān)因素。
3? ? 教學(xué)重難點(diǎn)
重點(diǎn):通過物理方法和化學(xué)方法認(rèn)識(shí)“噴泉”的形成原理并制作“噴泉”。
難點(diǎn):如何利用所提供的簡單實(shí)驗(yàn)器材制造“真空”狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)制作“噴泉”所需要的足夠的氣壓差。
4? ? 教學(xué)過程
4.1? ? 課題引入
介紹三位上課老師,指出在接下來完成項(xiàng)目的過程中,有任何問題,三位老師都會(huì)及時(shí)提供學(xué)科方面的支持和幫助。
課題引入——“美麗的‘噴泉’”
設(shè)計(jì)意圖:三科老師同上一節(jié)課,對于學(xué)生比較陌生,讓學(xué)生明確本次上課的形式以及每位老師可以給學(xué)生提供什么樣的幫助;明確項(xiàng)目。
4.2? ? 環(huán)節(jié)1——認(rèn)識(shí)影響“噴泉”形成的原理之一——?dú)鈮翰?/p>
活動(dòng)1 教師演示正壓“噴泉”實(shí)驗(yàn)。
演示實(shí)驗(yàn)1:將少量的氣體打入容器。
演示實(shí)驗(yàn)2:將大量的氣體打入容器。
提問:你看到了哪些現(xiàn)象?說明什么原理?
答:水噴出來形成“噴泉”。原理是通過往容器內(nèi)打氣,增大氣壓,使容器內(nèi)外形成氣壓差,液體噴出,形成“噴泉”。
提問:實(shí)驗(yàn)中形成“噴泉”的關(guān)鍵是什么?
答:氣壓差足夠大。
提問:在上述實(shí)驗(yàn)中,影響容器內(nèi)氣壓大小的因素是什么?
答:容器內(nèi)氣體的量。
提問:除了用上述方法可以改變?nèi)萜鲀?nèi)氣體的量,還有其他方法也能改變?nèi)萜鲀?nèi)氣體的量嗎?
活動(dòng)2 學(xué)生實(shí)驗(yàn):在裝有碳酸氫鈉粉末的試管中迅速加入白醋溶液,蓋好膠塞,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并解釋出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因。
學(xué)生小組合作完成實(shí)驗(yàn),分組匯報(bào)、交流,從化學(xué)的角度分析形成噴泉的原因,碳酸氫鈉和酸性溶液發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w,試管內(nèi)產(chǎn)生氣體,使試管內(nèi)的氣壓增大,從而將試管內(nèi)的液體噴出。
提問:我們還知道哪些反應(yīng)可以產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w?
答:碳酸鹽和酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w。
學(xué)生書寫相關(guān)化學(xué)方程式并進(jìn)行小組交流,互相補(bǔ)充講解。
追問:消耗氣體可以改變裝置內(nèi)的氣壓嗎?改變氣壓的原理是什么?能否寫出消耗二氧化碳的方程式?
答:消耗氣體會(huì)使裝置內(nèi)的氣壓減小,形成氣壓差。
學(xué)生上臺(tái)書寫相關(guān)消耗二氧化碳的方程式,包括二氧化碳與水反應(yīng)、二氧化碳與氫氧化鈣反應(yīng)、二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)。
追問:改變?nèi)萜鲀?nèi)氣體的量可以改變?nèi)萜鲀?nèi)的氣壓,如果容器內(nèi)氣體的量不變,可以通過哪些方法改變?nèi)萜鲀?nèi)的氣壓?
學(xué)生小組討論匯報(bào)。
小結(jié):溫度、氣體體積也是影響氣壓差的因素之一。
活動(dòng)3 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn):將包有橡皮膜的廣口瓶放入裝有熱水(裝有冰水混合物)的燒杯中。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,思考實(shí)驗(yàn)原理。
學(xué)生分組討論、匯報(bào):
熱水組現(xiàn)象:橡皮膜向上凸起。
實(shí)驗(yàn)原理:溫度升高,容器內(nèi)氣體氣壓變大,容器內(nèi)大氣壓力大于容器外大氣壓力,使橡皮膜向上凸起。
冷水組現(xiàn)象:橡皮膜向內(nèi)凹陷。
實(shí)驗(yàn)原理:溫度降低,容器內(nèi)氣壓變小,容器內(nèi)大氣壓力小于容器外大氣壓力,使橡皮膜向內(nèi)凹陷。
結(jié)論:對于一定量的氣體,溫度可以改變其氣壓大小。
活動(dòng)4 分組體驗(yàn):深深吸氣,再緩緩?fù)鲁?,感受人體呼吸過程中胸腔容積的變化。
提問1:胸腔容積的變化導(dǎo)致氣體進(jìn)出人體,還是與之相反?為什么?
提問2:引發(fā)胸腔容積變化的動(dòng)力是什么?
活動(dòng)5 學(xué)生實(shí)驗(yàn):根據(jù)實(shí)驗(yàn)桌上提供的“模擬呼吸運(yùn)動(dòng)的生物模型”,動(dòng)手實(shí)踐。
要求:①準(zhǔn)確判斷“人體呼吸運(yùn)動(dòng)的生物模型”中的結(jié)構(gòu)模擬人體呼吸系統(tǒng)的哪些結(jié)構(gòu)。②分析胸腔容積變化與氣體進(jìn)出的關(guān)系。
學(xué)生分組匯報(bào)、交流,從生物學(xué)的角度分析人體呼吸運(yùn)動(dòng)的過程。用手向下拉動(dòng)底部氣球,胸腔容積變大,氣體進(jìn)入使得肺擴(kuò)張,模擬人體的吸氣過程(圖1);用手向上推動(dòng)底部氣球,胸腔容積變小,氣體呼出使得肺回縮,模擬人體的呼氣過程(圖2)??梢姡怯捎谛厍蝗莘e的變化引發(fā)了氣體進(jìn)出人體,且膈肌這一類呼吸肌的收縮引發(fā)了胸腔容積的變化。
追問:為什么胸腔容積發(fā)生了變化,氣體就能自發(fā)進(jìn)出人體呢?
學(xué)生經(jīng)過分析得到:根本原因是由于胸腔容積的變化改變了胸腔內(nèi)部的氣壓,使胸腔內(nèi)外產(chǎn)生氣壓差,最終使得氣體自發(fā)進(jìn)出人體。當(dāng)胸腔容積變大,胸腔內(nèi)氣壓變小,小于外界氣壓,外界氣體就能進(jìn)入人體,這是人的吸氣過程,呼氣過程與此相反。
小結(jié):在氣體量一定的情況下,容器體積影響容器內(nèi)氣壓大小。體積變大,容器內(nèi)氣壓減小;體積變小,容器內(nèi)氣壓增大。
設(shè)計(jì)意圖:打破學(xué)科界限,通過正壓噴泉實(shí)驗(yàn)從物理角度認(rèn)識(shí)改變裝置內(nèi)氣壓的方法,通過復(fù)習(xí)化學(xué)知識(shí)從化學(xué)角度認(rèn)識(shí)改變裝置內(nèi)氣壓的方法,通過對生物學(xué)科呼吸運(yùn)動(dòng)模型的分析認(rèn)識(shí)改變裝置內(nèi)氣壓的方法。通過不同學(xué)科的內(nèi)容整合認(rèn)識(shí)改變裝置內(nèi)氣壓的方法,為后續(xù)制作“噴泉”提供理論依據(jù)。
4.3? ? 環(huán)節(jié)2——如何制作“噴泉”?
通過改變溫度改變?nèi)萜鲀?nèi)氣壓大小,從而形成容器內(nèi)外氣壓差,制作噴泉。
活動(dòng)6 學(xué)生實(shí)驗(yàn):利用實(shí)驗(yàn)桌上的1號(hào)塑料瓶、氣球、帶有吸管的瓶蓋、熱水等設(shè)計(jì)制作“噴泉”。
分組實(shí)驗(yàn)后分小組匯報(bào)。
實(shí)驗(yàn)操作:向氣球中裝入盡量多的水,擰緊瓶蓋,將塑料瓶放到裝有熱水的燒杯中(圖3)。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:觀察到水從吸管涌出。
實(shí)驗(yàn)原理:熱水可以增大瓶內(nèi)氣壓,使瓶子內(nèi)外產(chǎn)生氣壓差,使瓶內(nèi)的水涌出。
追問:利用溫度這一影響因素改變氣壓制作“噴泉”,效果不明顯的原因是什么?
學(xué)生小組討論后匯報(bào):“噴泉”形成的關(guān)鍵在于形成較大的氣壓差,在熱水實(shí)驗(yàn)中,溫度對氣壓有影響但是不夠大,如果能增大內(nèi)外裝置的氣壓差,就會(huì)產(chǎn)生更明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
追問:如何增大容器內(nèi)外氣壓差,產(chǎn)生效果更為明顯的“噴泉”呢?
設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生體驗(yàn)利用溫度這一影響因素制作“噴泉”,并且通過現(xiàn)象明確“噴泉”效果不明顯的原因,為接下來的教學(xué)內(nèi)容作鋪墊。
4.4? ? 環(huán)節(jié)3——如何制作效果明顯的“噴泉”?
想要容器內(nèi)外形成較大的氣壓差,可引導(dǎo)學(xué)生利用學(xué)過的大氣壓的知識(shí),在容器內(nèi)制造一個(gè)近似“真空”的狀態(tài),這樣就可以借助大氣壓力的作用,使水噴出,從而形成現(xiàn)象較為明顯的“噴泉”。
引導(dǎo)學(xué)生觀察在學(xué)習(xí)大氣壓這部分知識(shí)時(shí)見到的幾個(gè)重要實(shí)驗(yàn),如覆杯實(shí)驗(yàn)、托里拆利實(shí)驗(yàn)、馬德堡半球?qū)嶒?yàn)等。
提問:思考這些實(shí)驗(yàn)有什么共同點(diǎn)?
答:都是利用大氣壓的作用。
提問:這些實(shí)驗(yàn)中是如何體現(xiàn)大氣壓的“強(qiáng)大”呢?
答:都是在裝置或容器內(nèi)制造了一個(gè)“真空”的狀態(tài),使內(nèi)外形成較大的氣壓差。
提問:如何利用手中的器材在塑料瓶中制造一個(gè)近似“真空”的狀態(tài)呢?
活動(dòng)7 學(xué)生實(shí)驗(yàn):利用實(shí)驗(yàn)桌上的2號(hào)塑料瓶(瓶底打孔)、氣球、帶有吸管的瓶蓋、設(shè)計(jì)制作“噴泉”。
學(xué)生討論、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案:將瓶內(nèi)氣球吹大,借助氣球和瓶底的小孔將瓶內(nèi)的氣體盡量排空,氣球吹得越大,氣體被排出的就越多,氣球吹得足夠大時(shí),用手堵住瓶底小孔,這時(shí),瓶內(nèi)可近似看成是“真空”狀態(tài)。再將氣球內(nèi)裝滿水,蓋上瓶蓋,松開小孔,觀察現(xiàn)象。
學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。
小組討論實(shí)驗(yàn)原理:氣球裝滿水后,蓋上瓶蓋,此時(shí)瓶內(nèi)氣球和水達(dá)到了一個(gè)平衡的狀態(tài),松開小孔,瓶外氣體進(jìn)入瓶內(nèi),在大氣壓和氣球彈力的作用下,使水“噴出”,形成“噴泉”(圖4)。
設(shè)計(jì)意圖:突破本節(jié)課的教學(xué)重難點(diǎn),通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置,利用學(xué)過的物理知識(shí)在瓶內(nèi)制造近似“真空”的狀態(tài),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并制作效果較為明顯的“噴泉”。
4.5? ? 環(huán)節(jié)4——制作美麗的“噴泉”
提問:如何制作多彩的“噴泉”呢?
可以利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生顏色變化,或者讓噴泉噴出的是有顏色的溶液。
活動(dòng)8 學(xué)生實(shí)驗(yàn):根據(jù)桌上提供的實(shí)驗(yàn)器材和藥品,小組討論如何設(shè)計(jì)制作“噴泉”并進(jìn)行小組匯報(bào)。
學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),利用提供的裝置收集二氧化碳?xì)怏w(圖5),通過注射器中的氫氧化鈉濃溶液將二氧化碳消耗(圖6),減小裝置氣壓,將裝置與溶液相連,打開止水夾,形成“噴泉”(圖7)。
學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),制作并展示本組的彩色“噴泉”。
設(shè)計(jì)意圖:該環(huán)節(jié)通過化學(xué)的方法分析如何制作彩色“噴泉”,通過二氧化碳的產(chǎn)生和消耗形成氣壓差,制作彩色“噴泉”。
結(jié)束語:通過前邊一系列的探究活動(dòng),我們經(jīng)歷了猜想、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的否定及再猜想再實(shí)驗(yàn)過程,最終通過化學(xué)方法單純改變氣體的量,以及通過物理方法在改變氣體體積的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加氣體量的方法,產(chǎn)生了足夠大的氣壓差,形成了美麗的、可持續(xù)性噴涌的“噴泉”。在人類科技發(fā)展歷程中,任何一個(gè)研究成果的問世都?xì)v經(jīng)艱辛,我們需要秉承這種精神,不斷探索和認(rèn)識(shí)自然運(yùn)行的規(guī)律。
設(shè)計(jì)意圖:教學(xué)“留有余地”;立德樹人,激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探究的內(nèi)驅(qū)力。
5? ? 教學(xué)反思
5.1? ? 打破學(xué)科界限,實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)
本節(jié)課通過將物理、化學(xué)、生物三個(gè)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行整合,以問題解決過程為線索設(shè)計(jì)方案,將跨學(xué)科實(shí)踐的教學(xué)過程分解為若干個(gè)驅(qū)動(dòng)性任務(wù),以觀察、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、制作等方式設(shè)計(jì)活動(dòng),順利解決了影響裝置內(nèi)氣壓大小的三大因素。在設(shè)計(jì)制作“噴泉”環(huán)節(jié),由易到難,首先通過溫差制作“噴泉”,進(jìn)而討論如何讓“噴泉”的效果更明顯,通過物理方法改變裝置的氣壓,形成較大氣壓差從而制作出明顯的“噴泉”,最后學(xué)生依托化學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析、討論、設(shè)計(jì)等過程,利用教師提供的藥品和裝置進(jìn)行彩色“噴泉”的制作。
5.2? ? 借助項(xiàng)目式學(xué)習(xí),以知識(shí)學(xué)習(xí)為載體,以過程體驗(yàn)為核心,落實(shí)學(xué)科的核心素養(yǎng)
本節(jié)課注重在問題解決過程中落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生以問題為載體,分析看到的現(xiàn)象、涉及的原理、形成“噴泉”的關(guān)鍵、影響氣壓大小的因素等一系列問題。以制作“噴泉”為出發(fā)點(diǎn),思考如何制作噴泉,如何制作效果更明顯的“噴泉”,如何制作美麗的“噴泉”,從原理—分析—設(shè)計(jì)—實(shí)踐—改進(jìn)—再實(shí)踐,有機(jī)地融合了化學(xué)、物理與生物三個(gè)學(xué)科的知識(shí)與理念,最終落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。人在解決問題的時(shí)候是不分學(xué)科的,綜合多學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題,是教育發(fā)展的趨勢。
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(欄目編輯? ? 李富強(qiáng))